徐 進(jìn) 李 穎 陳 澎 劉丙新 崔 璨 周 穎
S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范分析*
徐 進(jìn) 李 穎 陳 澎 劉丙新 崔 璨 周 穎
從S-102標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)維護(hù)等方面入手,基于S-100標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)體系,介紹水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格數(shù)據(jù)內(nèi)容,基于航海安全用途的跟蹤列表機(jī)制、航海表面規(guī)范的數(shù)字認(rèn)證模塊和可擴(kuò)展的模板應(yīng)用模式,深入分析離散四邊形網(wǎng)格和離散點(diǎn)集的兩種覆蓋類型、索引關(guān)系、必須明確的切片方案等內(nèi)容,并對(duì)S-102標(biāo)準(zhǔn)四種重要類型的元數(shù)據(jù)、基于“層次數(shù)據(jù)格式”第五版(HDF5)的數(shù)據(jù)編碼方式以及水深覆蓋和網(wǎng)格覆蓋的重要實(shí)現(xiàn)類等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究,為S-102標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
S-102標(biāo)準(zhǔn);S-100標(biāo)準(zhǔn);電子海圖;海事測(cè)量數(shù)據(jù)
OI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.12.006
2010年1月,國(guó)際海道測(cè)量組織(International
ydrographic Organization,縮寫(xiě)IHO)公開(kāi)表示《S-7數(shù)字海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》已不再適合目前海道測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求,同時(shí)發(fā)布了《S-100通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》。[1-2]S-100標(biāo)準(zhǔn)的建立是基于地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),采用面向?qū)ο蟮慕M織方式,[3]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)、存儲(chǔ)與應(yīng)用。但是S-100標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容主要是標(biāo)準(zhǔn)體系和部分案例說(shuō)明,尚未涉及具體的產(chǎn)品。[4-6]2012年4月,IHO公開(kāi)發(fā)布了《S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范》的正式版本。
S-100標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別于《S-57數(shù)字海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》,而采用全新模式制定的《通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》。S-100標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容共分12個(gè)部分,分別為:概念模式語(yǔ)言、IHO地理空間信息注冊(cè)表體系結(jié)構(gòu)、通用要素模型與開(kāi)發(fā)應(yīng)用模式、元數(shù)據(jù)、要素目錄、坐標(biāo)參考系統(tǒng)、要素編輯空間模式、影像與格網(wǎng)數(shù)據(jù)、要素圖形表征方式、編碼格式、海道測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范及其要素完整描述、更新與出版相關(guān)產(chǎn)品的程序。
S-102標(biāo)準(zhǔn)是基于S-100標(biāo)準(zhǔn)體系和ISO TC211標(biāo)準(zhǔn)建立的具體到水深數(shù)據(jù)層面的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范,屬于S-100標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)中的一個(gè)子集。[7]S-102標(biāo)準(zhǔn)中的產(chǎn)品模式與S-100標(biāo)準(zhǔn)中的第8部分內(nèi)容影像與格網(wǎng)數(shù)據(jù)保持一致。[8-9]S-102標(biāo)準(zhǔn)指出,水深表面產(chǎn)品的首要目的是支持安全航行,第二目的則是作為一個(gè)獨(dú)立的水深信息數(shù)據(jù),用于其他用途。S-102標(biāo)準(zhǔn)中定義了用于共享水深覆蓋區(qū)域數(shù)據(jù)的內(nèi)容模式和交換文件格式,其水深表面數(shù)據(jù)可以獨(dú)立應(yīng)用,同時(shí)也可以作為ENC數(shù)據(jù)的一層或與其他S-100標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)合使用。
S-102標(biāo)準(zhǔn)中的水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品提及了“航海表面(Navigation Surface,簡(jiǎn)稱NS)”概念?!昂胶1砻妗笔侵缚梢员U虾胶:叫邪踩暮Q蟊砻?,包括水深實(shí)測(cè)值和不確定水深估計(jì)值,以這兩種水深值替換,由航道測(cè)量師憑借經(jīng)驗(yàn)判斷得到的水深值,從而最大限度地保障航海安全。[10]這就意味著,除了水深實(shí)測(cè)值和不確定水深估計(jì)值以外,它還包括由“航道測(cè)量特權(quán)”的測(cè)量師重寫(xiě)的水深值。從本質(zhì)上講,在航道測(cè)量的重要領(lǐng)域,這是一個(gè)能夠直接區(qū)分水深值是否由人為估計(jì)的有效手段。此外,在S-102標(biāo)準(zhǔn)中,由航道測(cè)量師估計(jì)的水深值依然會(huì)被保留在跟蹤列表中,可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)出。
S-102標(biāo)準(zhǔn)中的水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品由水深屬性網(wǎng)格數(shù)據(jù)(Bathymetric Attributed Grid,BAG)和數(shù)字認(rèn)證模塊(Digital Certification Block,DCB)組成,如圖1所示。
圖1 S-102標(biāo)準(zhǔn)中水深表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
從時(shí)空域的角度考慮,水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間域是世界范圍的,但是其時(shí)間域卻是無(wú)限的。水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)商(例如國(guó)家航道測(cè)量局)可以自定義開(kāi)始和結(jié)束使用某個(gè)產(chǎn)品的時(shí)間。
1.水深屬性網(wǎng)格
S-57標(biāo)準(zhǔn)中,水深數(shù)據(jù)屬于電子海圖航海物標(biāo)數(shù)據(jù)中的一種,未被單獨(dú)列出,且均采用矢量數(shù)據(jù)方式進(jìn)行管理。而S-100標(biāo)準(zhǔn)支持的數(shù)據(jù)模式包含幾何空間模式和覆蓋空間模式,[11]S-102標(biāo)準(zhǔn)中的水深表面數(shù)據(jù)被單獨(dú)列為一個(gè)子產(chǎn)品,屬于覆蓋空間模式,采用柵格數(shù)據(jù)方式進(jìn)行管理。水深表面產(chǎn)品的數(shù)據(jù)類型是一個(gè)帶有元數(shù)據(jù)的四邊形網(wǎng)格狀覆蓋區(qū)域柵格數(shù)據(jù),用以表示海域、湖泊、河流或其他通航水道的水深模型,即水深屬性網(wǎng)格。[12]一個(gè)獨(dú)立的水深屬性網(wǎng)格覆蓋對(duì)象雖然只能表示地球表面單分辨率的一個(gè)連續(xù)區(qū)域,但卻能表示數(shù)據(jù)從原始網(wǎng)格到最終產(chǎn)品的整個(gè)環(huán)節(jié)。需要注意的是,水深屬性網(wǎng)格數(shù)據(jù)集之間可以形成無(wú)縫連接的連續(xù)覆蓋。
水深屬性網(wǎng)格數(shù)據(jù)包括版本標(biāo)簽(Version Tag)、元數(shù)據(jù)(Metadata)、可估測(cè)水深覆蓋(Estimated Elevation Coverage)、不確定水深覆蓋(Uncertainty Coverage)、選擇性覆蓋(Optional Coverage)和跟蹤列表(Tracking List)等信息。其中,跟蹤列表是提供重寫(xiě)水深值的離散覆蓋。它包含水深表面產(chǎn)品任意一個(gè)結(jié)點(diǎn)的水深值和不確定水深值的簡(jiǎn)單列表,可以根據(jù)跟蹤列表數(shù)據(jù)集和元數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)的相關(guān)信息,查找人工干預(yù)變化的相關(guān)記錄。為了保障安全航行,跟蹤列表中特定的水深值,可以用于估計(jì)和校正水深值數(shù)據(jù)。
2.數(shù)字認(rèn)證模塊
“航海表面”規(guī)定中特別指出,只有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的最終水深屬性網(wǎng)格產(chǎn)品才能用于航海用途。為了提供水深網(wǎng)格產(chǎn)品的認(rèn)證機(jī)制,S-100標(biāo)準(zhǔn)突破了S-57標(biāo)準(zhǔn)中的尚無(wú)認(rèn)證措施的現(xiàn)狀,在S-102中標(biāo)準(zhǔn)引入了數(shù)字認(rèn)證模塊。如果水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的目的是用于航海用途,則該產(chǎn)品必須包含數(shù)字認(rèn)證模塊,[13]這樣用戶就可以追查到應(yīng)用的數(shù)據(jù)是否已被注冊(cè)認(rèn)證。
在傳統(tǒng)的航道測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程中,對(duì)于航海用途的所有測(cè)量數(shù)據(jù),都有一個(gè)嚴(yán)格的監(jiān)管鏈機(jī)制。在監(jiān)管鏈中的每一個(gè)階段,都有一個(gè)責(zé)任權(quán)威機(jī)構(gòu)檢查數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的程序,并授權(quán)數(shù)據(jù)適用于預(yù)期的用途。[14]這種機(jī)制能夠更好地使數(shù)據(jù)用于最終繪制,保證測(cè)量數(shù)據(jù)能與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行融合編譯,或者用于輔助安全導(dǎo)航設(shè)備的研制。通常來(lái)講,這種機(jī)制都會(huì)以在測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告或者公文中進(jìn)行物理簽名或蓋章作為認(rèn)證方式。然而,對(duì)于一個(gè)全數(shù)字化的產(chǎn)品,為數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行物理簽名或者蓋章是不可能的。此外,對(duì)于水深表面產(chǎn)品這樣密集的電子數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,因?yàn)槟硞€(gè)單體數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致航行重大變化的不可測(cè)性會(huì)大大增加。因此,S-102標(biāo)準(zhǔn)中全新設(shè)計(jì)了一種數(shù)字簽名方案(Digital Signature Scheme,簡(jiǎn)稱DSS),旨在為航道測(cè)量師提供一種等效于物理簽名或蓋章的數(shù)字化工具,確保對(duì)數(shù)據(jù)的任何修改,無(wú)論是正確或者錯(cuò)誤的行為,都會(huì)很容易地被檢測(cè)出來(lái)。
DSS的基本單位是數(shù)字簽名(Digital Signature,S)。DS是由S-102標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的內(nèi)容(例如編碼數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容)和密鑰(Secret Key,SK)的原理計(jì)算出來(lái)的一個(gè)多字節(jié)數(shù)字序列。這種DS屬于個(gè)人或者單位簽署的水深表面產(chǎn)品,就被稱為簽名授權(quán)(Signature Authority,SA)。SK僅在SA中進(jìn)行注冊(cè)。如果水深表面產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了SA,該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的SK原理就會(huì)進(jìn)行保密設(shè)置。DS值針對(duì)水深內(nèi)容(Bathymetric Content)和SK來(lái)說(shuō)是唯一的。在這個(gè)意義上,用一個(gè)特定的SK,沒(méi)有兩個(gè)BAG會(huì)生成相同的DS。同時(shí)針對(duì)相同的水深內(nèi)容,沒(méi)有兩個(gè)K會(huì)生成相同的DS。
對(duì)應(yīng)SK,一個(gè)公共密鑰(Public Key,PK)可以自由分發(fā)。即使使用PK,也沒(méi)有辦法計(jì)算出DS值。然而,如果給定一個(gè)水深內(nèi)容和一個(gè)由SK構(gòu)建的DS,就很容易驗(yàn)證水深內(nèi)容是否經(jīng)過(guò)改編,或者驗(yàn)證另一個(gè)SK是否創(chuàng)建新的認(rèn)證。
除了支持DSS所需的DS,數(shù)字認(rèn)證模塊包含了一個(gè)訪問(wèn)元數(shù)據(jù)認(rèn)證事件的接口。這是為了確保用戶可以提供任何條件認(rèn)證事件適當(dāng)靈活的描述,或者提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)的預(yù)期用途?!昂灻麡?biāo)識(shí)(Signature ID)”將是一個(gè)獨(dú)特的順序構(gòu)造標(biāo)識(shí)符。通過(guò)它,一個(gè)認(rèn)證模塊可以明確地關(guān)聯(lián)到一個(gè)元數(shù)據(jù)認(rèn)證事件。
3.模板應(yīng)用模式
區(qū)別于S-57標(biāo)準(zhǔn)中,水深數(shù)據(jù)的定義已經(jīng)做出了明確規(guī)范,在S-102標(biāo)準(zhǔn)中,水深數(shù)據(jù)的定義采用了模板應(yīng)用模式(Template Application Schema,TAS),即它沒(méi)有在水深表面產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定所有的變量和屬性,同時(shí)支持其他方面的選擇和改變。例如國(guó)家海道測(cè)量局可以在遵循這個(gè)模板的基礎(chǔ)上,根據(jù)自己的額外需要,提出符合實(shí)際應(yīng)用的模式,這些額外需求主要包括水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格是否采用切片(Tiling)方案、如何選擇切片拼接方案、自定義數(shù)據(jù)范圍、分辨率和自定義其他符合自身特殊情況的參數(shù)。[15]但是它們都要遵循S-100標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定和結(jié)構(gòu),并且支持S-102標(biāo)準(zhǔn)中的模板應(yīng)用模式,這樣就能保證其他部門(mén)或機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)S-102標(biāo)準(zhǔn)的模板應(yīng)用模式和數(shù)據(jù)配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)水深產(chǎn)品數(shù)據(jù)的應(yīng)用共享。
4.覆蓋類型
在S-102標(biāo)準(zhǔn)中,覆蓋(Coverage)作為一種要素類型被定義。其覆蓋類型有兩種,如圖2所示。
圖2 覆蓋區(qū)域類型結(jié)構(gòu)圖
第1種是一組離散的四邊形網(wǎng)格覆蓋類型,包括S-102水深覆蓋(S102_DepthCoverage)、-102不確定水深覆蓋(S102_UncertaintyCoverage)和S-1 0 2選擇性水深表面覆蓋(S102_OptionalSurfaceCoverage)。這種覆蓋類型的劃分是繼承于S-1 0 0標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格覆蓋(S100_GridCoverage)。在《S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范》中,這覆蓋類型的大多數(shù)參數(shù)都已經(jīng)被定義和描述。
第2種覆蓋類型是離散點(diǎn)集覆蓋,包括S-102校正覆蓋(S102_CorrectionCoverage)和S-102跟蹤列表覆蓋(S102_TrackingListCoverage)。S-102跟蹤列表覆蓋包括一組已經(jīng)校正、重新應(yīng)用的位置相關(guān)離散點(diǎn)集。為了確保航海安全,一個(gè)航道覆蓋區(qū)域必須明確地顯示出已經(jīng)糾正準(zhǔn)確的特定點(diǎn)集水深值。而S-102校正覆蓋區(qū)域正好用來(lái)提供糾正的背景數(shù)據(jù)。確定水深的覆蓋函數(shù)將運(yùn)行于覆蓋產(chǎn)生的合并連續(xù)數(shù)學(xué)表面。這種生成合并連續(xù)數(shù)學(xué)表面的方法會(huì)替換經(jīng)過(guò)矯正重寫(xiě)的S-102標(biāo)準(zhǔn)水深值網(wǎng)格矩陣。
值得注意的是,水深表面產(chǎn)品針對(duì)的是混合的覆蓋數(shù)據(jù)。S-102標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定水深表面產(chǎn)品至少包含兩種離散網(wǎng)格覆蓋區(qū)域,即水深覆蓋區(qū)域和不確定水深覆蓋區(qū)域,這兩種覆蓋區(qū)域在實(shí)際應(yīng)用中是相互依存的。
5.切片方案
與S-57標(biāo)準(zhǔn)中不同,在S-100標(biāo)準(zhǔn)中,水深數(shù)據(jù)采用柵格格式進(jìn)行管理,由于其數(shù)據(jù)量過(guò)大,在S-102標(biāo)準(zhǔn)中,明確規(guī)定了水深數(shù)據(jù)管理引入切片技術(shù)。水深覆蓋切片是將一個(gè)感興趣的區(qū)域分解劃分為更小、更容易管理的數(shù)據(jù)塊或者分區(qū)的技術(shù)。每一個(gè)切片方案都是S-102標(biāo)準(zhǔn)水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品中一個(gè)含有水深區(qū)域、不確定區(qū)域、跟蹤列表、邊緣匹配元數(shù)據(jù)等完整的水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)。切片方案是一個(gè)離散網(wǎng)格覆蓋的技術(shù)方案,因此需要完整網(wǎng)格覆蓋的描述。但這并不是意味著切片方案要把數(shù)據(jù)集所有的信息表述出來(lái),而是要把切片方案中的數(shù)據(jù)集索引關(guān)系表述清楚,使其切片能夠被快速索引或查詢。
S-102標(biāo)準(zhǔn)中,切片方案實(shí)現(xiàn)類之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。這個(gè)結(jié)構(gòu)源于S-100標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)切片方案,S-102標(biāo)準(zhǔn)僅是制定了一個(gè)框架,目的是為了兼容數(shù)據(jù)生產(chǎn)商或國(guó)家海道測(cè)量局之間不同的切片方案。目前S-102標(biāo)準(zhǔn)中的切片方案采用外部定義方式。但是,切片標(biāo)識(shí)符必須包含在S102_Tile類重定義的XML元數(shù)據(jù)中。值得建議的是,S-102標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在未來(lái)加強(qiáng)內(nèi)部定義切片方案的能力,增加內(nèi)部切片序列規(guī)范和單個(gè)切片方案中的數(shù)據(jù)集整合等內(nèi)容規(guī)范。
圖3 S-102標(biāo)準(zhǔn)中切片方案實(shí)現(xiàn)類之間的結(jié)構(gòu)
6.元數(shù)據(jù)
S-100標(biāo)準(zhǔn)中的元數(shù)據(jù)規(guī)范,相比S-57標(biāo)準(zhǔn),不僅僅是單一的繼承關(guān)系,更是全面的更新升級(jí),并提供了靈活的擴(kuò)展空間。S-100標(biāo)準(zhǔn)中的元數(shù)據(jù)旨在通過(guò)元數(shù)據(jù)信息,獲取關(guān)于標(biāo)識(shí)空間和時(shí)間范圍、質(zhì)量、應(yīng)用模式、空間參考系統(tǒng),以及分發(fā)數(shù)字地理數(shù)據(jù)等信息。元數(shù)據(jù)同時(shí)適合于數(shù)據(jù)共享交換應(yīng)用、地理與非地理資源完整描述的目錄編排。
S-102標(biāo)準(zhǔn)水深表面產(chǎn)品中的元數(shù)據(jù)信息大多數(shù)來(lái)自于S-100和ISO19115標(biāo)準(zhǔn)。其中,只有強(qiáng)制性的元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集的識(shí)別和譜系說(shuō)明的元數(shù)據(jù)來(lái)自于ISO 19115元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。S-100標(biāo)準(zhǔn)中,元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供了用于描述、驗(yàn)證和交換海道組織生產(chǎn)的地理數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的規(guī)范。[16]選擇性增加的部分元數(shù)據(jù)來(lái)自ISO 19130標(biāo)準(zhǔn),特別是關(guān)于獲取水深數(shù)據(jù)的聲吶設(shè)備方面的元數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)識(shí)別的最小量(Minimum Level)元數(shù)據(jù)是所有應(yīng)用都必須獲取的,包括數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、Web應(yīng)用和數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。然而,S-102標(biāo)準(zhǔn)中需要特定的元數(shù)據(jù)屬性來(lái)定位數(shù)據(jù)集,同時(shí)需要譜系屬性來(lái)建立定義跟蹤列表的過(guò)程和建立數(shù)據(jù)的譜系關(guān)系。
元數(shù)據(jù)中的元素與其所在的元數(shù)據(jù)模式有關(guān)。元數(shù)據(jù)模式包括產(chǎn)品定義和產(chǎn)品擴(kuò)展內(nèi)容。這兩種模式都存在強(qiáng)制性和條件性元數(shù)據(jù)元素。只有一些元數(shù)據(jù)元素是強(qiáng)制性的,同時(shí)一些選擇性元數(shù)據(jù)元素中包含了一些條件性強(qiáng)制元數(shù)據(jù)。它們只有在某些說(shuō)明,某些屬性或者要素是在有條件的情況下,才能被應(yīng)用或建立。
S-102標(biāo)準(zhǔn)中用于表述地理信息數(shù)據(jù)集的核心元數(shù)據(jù)(包括強(qiáng)制性和選擇性)元素,由表1所示,其中M表示強(qiáng)制性的元數(shù)據(jù)元素,C表示條件性的元數(shù)據(jù)元素,O表示可選擇性的元數(shù)據(jù)元素。從表1中可以看出,核心元數(shù)據(jù)中,可選擇性元數(shù)據(jù)元素種類的數(shù)量是最多的。定義可選擇性元數(shù)據(jù)元素是為了滿足編碼人員完整記錄數(shù)據(jù)描述的需求。
表1 S-102標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用的核心元數(shù)據(jù)
S-102標(biāo)準(zhǔn)中,具體的元數(shù)據(jù)類型包含發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)(Discovery Metadata)、結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)(Structure etadata)、質(zhì)量元數(shù)據(jù)(Quality Metadata)和獲取元數(shù)據(jù)(Acquisition Metadata)。發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)集(S102_DataSet)水平與圖像和網(wǎng)格數(shù)據(jù)集(S102_IGCollection)水平。那就意味著,整個(gè)數(shù)據(jù)集都必須有發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)。如果是包含幾個(gè)切片的整合數(shù)據(jù)集,不僅是每個(gè)切片都有發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù),整合數(shù)據(jù)集本身也要有發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)是用來(lái)描述一個(gè)集合實(shí)例的結(jié)構(gòu),包括一個(gè)切片方案的所有相關(guān)說(shuō)明信息。由于約束在不同的獨(dú)立文件(例如,來(lái)自不同法律來(lái)源的文件)中是不同的,或者安全約束是不同的,因此約束信息是結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)中的一個(gè)重要部分。其他的結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)是網(wǎng)格表示和參考系統(tǒng)信息。質(zhì)量元數(shù)據(jù)是用來(lái)描述一個(gè)集合實(shí)例的數(shù)據(jù)質(zhì)量。獲取元數(shù)據(jù)在S-102標(biāo)準(zhǔn)中是可選擇的。一個(gè)生產(chǎn)商或者國(guó)家海道測(cè)量局可以在水深表面產(chǎn)品文件中增加獲取元數(shù)據(jù)信息。獲取元數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)類來(lái)自ISO19115和ISO19130。SO19130-2的后續(xù)文件中包含了聲吶參數(shù)的描述。
1.數(shù)據(jù)探測(cè)技術(shù)
水深探測(cè)技術(shù)有很多種,例如聲吶(SONAR)和激光雷達(dá)(LIDAR)技術(shù)。S-102水深表面產(chǎn)品元數(shù)據(jù)中可以包括數(shù)據(jù)獲取方面的信息,但不是必需的。S102_AcquisitionMetadata獲取元數(shù)據(jù)類雖然在S-102標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)被定義,但是國(guó)家級(jí)版本中,信息元素可以根據(jù)各國(guó)的需要,填充至元數(shù)據(jù)類中。
2.數(shù)據(jù)編碼
S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范采用了“層次數(shù)據(jù)格式”第五版(Hierarchical Data Format Version 5,簡(jiǎn)稱HDF5)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。HDF5是一種獨(dú)立架構(gòu)的軟件庫(kù)和支持存儲(chǔ)檢索海量復(fù)雜數(shù)據(jù)集的文件格式。HDF5文件組織在一個(gè)分層(組群和數(shù)據(jù)集群)的結(jié)構(gòu)中。一個(gè)HDF5組(Group)為水深表面產(chǎn)品的數(shù)據(jù)內(nèi)容提供頂層結(jié)構(gòu)。中間件采用HDF5定義的“數(shù)據(jù)集”類型或者是“屬性”類型。在每個(gè)數(shù)據(jù)集內(nèi),進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分的依據(jù)是數(shù)據(jù)類型和存儲(chǔ)空間參數(shù)。“屬性”類型中還提供了數(shù)據(jù)集特定的元數(shù)據(jù)。
由于S-102標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)與編碼是相互獨(dú)立的,因此編碼格式并不局限于HDF5,同時(shí)可以轉(zhuǎn)換成GeoTIFF或者XML的編碼格式。
3.重要的實(shí)現(xiàn)類
S-102標(biāo)準(zhǔn)中重要的實(shí)現(xiàn)類共有15種,它們之間的關(guān)系如圖4所示。其中S102_BathymetryCoverage類是水深表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)中最主要的類,由S102_BathymetryValues類、S102_UncertaintyValues類、S102_OptionalSurfaceValues類等三個(gè)類聚合而成,擁有最小水深值(minimumElevation)、最大水深值(maximumElevation)、矢量偏移(offsetVectors)等12個(gè)屬性值。DirectPosition類存儲(chǔ)了不同坐標(biāo)參考系統(tǒng)中的不同坐標(biāo)值。Vector是存儲(chǔ)了表示空間位置的坐標(biāo)序列,擁有尺度(dimension)和坐標(biāo)序列(coordinates)兩個(gè)屬性。CV_GridEnvelope類提供了網(wǎng)格邊界包絡(luò)中兩個(gè)極端的網(wǎng)格坐標(biāo),包括最小值(low)和最大值(high)兩個(gè)屬性。CV_GridCoordinate類是包含CV_GridPoint類網(wǎng)格坐標(biāo)的數(shù)據(jù)類型,擁有坐標(biāo)值(coordValues)一個(gè)屬性。CV_SequenceRule類包含要素屬性信息序列中用于制圖的網(wǎng)格坐標(biāo)值。擁有類型(type)和掃描方向(scanDirection)兩個(gè)屬性。S102_TrackingListCoverage類是離散的點(diǎn)覆蓋,用于記錄S102_BathymetryCoverage類中被覆蓋的結(jié)點(diǎn),這種覆蓋允許海道測(cè)量人員在航海安全的考慮下,設(shè)置一定的水深偏差,擁有設(shè)置范圍(domainExtent)屬性。S102_TrackingListValues類是在S102_BathymetryValues類中用于提供修改設(shè)定值的離散覆蓋,它擁有跟蹤編碼(trackCode)、列表系列(listSeries)、幾何圖形(geometry)和值(value)4個(gè)屬性。S102_SurfaceCorrectionCoverage類是離散的點(diǎn)覆蓋類,為數(shù)學(xué)或者地形表面提供S102_BathymetryCoverage類中結(jié)點(diǎn)的垂直偏移量,擁有設(shè)置范圍(domainExtent)和參數(shù)(parameter)等屬性。S102_SurfaceCorrectionValues類存儲(chǔ)離散覆蓋的糾正值,用于將水深覆蓋關(guān)聯(lián)到平均海平面、橢球體或者其他數(shù)據(jù)。EX_GeographicExtent類和EX_BoundingBox類都是來(lái)自ISO19115的元數(shù)據(jù)類,用于描述其他實(shí)現(xiàn)類要素或元素地理空間范圍和邊界,可以選擇性使用。
4.數(shù)據(jù)維護(hù)機(jī)制
S-102標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)集維護(hù)采用替換覆蓋切片或者基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的方式。這就意味著,一個(gè)水深表面產(chǎn)品,或者含有覆蓋和其相關(guān)元數(shù)據(jù)的切片方案,會(huì)被作為一個(gè)單元進(jìn)行替換。這點(diǎn)與同為S-100標(biāo)準(zhǔn)框架下的《S-101電子海圖產(chǎn)品規(guī)范》中矢量數(shù)據(jù)的增量更新模式是截然不同的。然而,在切片方案中,覆蓋數(shù)據(jù)必須被看作為一個(gè)單元,導(dǎo)致整個(gè)切片方案甚至是水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)生變化。如果跟蹤列表被某水深產(chǎn)品使用,則其替換的內(nèi)容還包括其航行安全信息關(guān)聯(lián)的跟蹤列表。需要說(shuō)明的是,每一個(gè)替換的切片方案或者數(shù)據(jù)集都必須有自己的數(shù)字簽名。
圖4 實(shí)現(xiàn)類關(guān)系圖
水深表面產(chǎn)品規(guī)范的整體框架結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性,不僅在內(nèi)容模型方面,甚至是支持內(nèi)容模型的編碼方面都可以進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展的內(nèi)容還包括是否采用可選擇性覆蓋、是否需要文件合格、兼容產(chǎn)品是否有效等方面。水深表面產(chǎn)品中水深范圍信息的其他層面規(guī)范尚未在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行說(shuō)明,預(yù)計(jì)在S-100標(biāo)準(zhǔn)框架下會(huì)在未來(lái)的S-10x產(chǎn)品規(guī)范中進(jìn)行完善。
S-102標(biāo)準(zhǔn)在S-100通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)的框架體系下,從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、認(rèn)證機(jī)制、應(yīng)用模式、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)維護(hù)等方面,對(duì)水深表面產(chǎn)品進(jìn)行了規(guī)范設(shè)計(jì),為水深數(shù)據(jù)在海事測(cè)繪、船舶通航、海上執(zhí)法、海事評(píng)估等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)應(yīng)用與共享奠定了理論基礎(chǔ)。本文從水深網(wǎng)格屬性、數(shù)字認(rèn)證模塊、模板應(yīng)用模式、覆蓋類型、切片方案、元數(shù)據(jù)等方面為切入點(diǎn),對(duì)比S-57標(biāo)準(zhǔn),介紹了S-102標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容與特征,期望對(duì)新一代海事測(cè)繪數(shù)據(jù)的應(yīng)用共享,具有一定的借鑒意義。
S-102標(biāo)準(zhǔn)中僅在BAG組成和擴(kuò)展性內(nèi)容中提到了選擇性水深覆蓋類型,但是未作詳細(xì)描述,這樣會(huì)給生產(chǎn)商在產(chǎn)品生產(chǎn)中造成一定困惑,期望在版本更新的過(guò)程中對(duì)“選擇性水深覆蓋”類型作進(jìn)一步解釋。
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徐進(jìn)(1985—),男,大連海事大學(xué)航海學(xué)院,實(shí)驗(yàn)師,博士
李穎(1968—),女,大連海事大學(xué)航海學(xué)院,教授,博士
陳澎(1982—),男,大連海事大學(xué)航海學(xué)院,講師,博士
劉丙新(1984—),男,大連海事大學(xué)航海學(xué)院,講師,博士
崔璨(1988—),男,大連海事大學(xué)航海學(xué)院,博士研究生
周穎(1991—),女,大連海事大學(xué)航海學(xué)院,碩士研究生
中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(3132016003)